JournalofNortheastAgriculturalUniversity 東 北 農 業(yè) 大 學 學 報 第51 卷 第9 期 51 9 79 88 2020 年9 月 September2020 溫室三七收獲機挖掘鏟鏟型對比研究 張兆國 1 2 余小蘭 1 2 李漢青 1 2 程一啟 1 2 3 解開婷 1 2 1 昆明理工大學農業(yè)與食品學院 昆明 650500 2 云南省高校中藥材機械化工程研究中心 昆明 650500 3 北京工業(yè)大學機械工程與應用電子技術學院 北京 100081 摘 要 為 降 低 三 七 收 獲 機 工 作 時 能 耗 和 阻 力 研 制 兩 種 收 獲 三 七 挖 掘 鏟 即 二 階 凹 面 挖 掘 鏟 和 組 合 式 挖 掘 鏟 基 于 三 七 土 壤 物 理 特 性 通 過EDEM 軟 件 對 兩 種 挖 掘 鏟 作 虛 擬 挖 掘 試 驗 分 析 挖 掘 鏟 所 受 阻 力 仿 真 結 果 表 明 二 階 凹 面 挖 掘 鏟 挖 掘 阻 力 大 于 組 合 式 挖 掘 鏟 以 挖 掘 鏟 作 業(yè) 速 度 挖 掘 深 度 和 入 土 角 度 為 試 驗 因 素 挖 掘 鏟 阻 力 為 試 驗 指 標 采 用Design Expert 軟 件 作 試 驗 設 計 完 成 土 槽 挖 掘 試 驗 結 果 表 明 組 合 式 挖 掘 鏟 受 到 阻 力 較 小 影 響 阻 力 因 素 由 大 到 小 為 挖 掘 深 度 作 業(yè) 速 度 入 土 角 最 優(yōu) 挖 掘 參 數 為 挖 掘 深 度 為30cm 作 業(yè) 速 度 為0 6m s 1 入 土 角 為20 組 合 式 挖 掘 鏟 符 合 溫 室 三 七 收 獲 作 業(yè) 農 藝 要 求 為 溫 室 三 七 收 獲 機 挖 掘 鏟 設 計 奠 定 基 礎 關鍵詞 挖掘鏟 三七 土槽試驗 離散元仿真 中圖分類號 S225 7 文獻標志碼 A 文章編號 1005 9369 2020 09 0079 10 張 兆 國 余 小 蘭 李 漢 青 等 溫 室 三 七 收 獲 機 挖 掘 鏟 鏟 型 對 比 研 究 J 東 北 農 業(yè) 大 學 學 報 2020 51 9 79 88 DOI 10 19720 ki issn 1005 9369 2020 09 0010 Zhang Zhaoguo YuXiaolan Li Hanqing et al Comparison and selection of excavating shovel type of Panax notoginseng harvester in greenhouse J Journal of Northeast Agricultural University 2020 51 9 79 88 in Chinese with English ab stract DOI 10 19720 ki issn 1005 9369 2020 09 0010 Comparisonandselectionofexcavatingshoveltypeof Panax notogin sengharvesteringreenhouse ZHANG Zhaoguo 1 2 YU Xiaolan 1 2 LI Hanqing 1 2 CHENG Yiqi 1 2 3 XIE Kaiting 1 2 1 School of Agriculture and Food Kunming University of Science and Technology Kunming 650500 China 2 Engineering Research Center of Mechanized Chinese MedicinalMaterialsofYunnanUniversity Kunming650500 China 3 SchoolofMechanicalEngineer ing andApplied ElectronicsTechnology Beijing University ofTechnology Beijing 100081 China Abstract This study reduced the rate of injury reduced the energy consumption of the P a n a x n o t o g i n se n g harvester and the resistance of the soil to the machine during the work Discrete element simulation analysis and soil trough test of second order concave excavation shovel and combined excavation shovel Based on the physical characteristics of P a n a x n o t o g i n s e n g soil a virtual excavation test was conducted on two excavating shovel through EDEM software to analyze the resistance of the excavating shovel The simulation test results shown that the excavation resistance of the second order concave shovel was greater than that of the combined shovel Taking the operating speed digging depth and soil entry angle of the shovel as the test factors and the shovel resistance as the test index 收稿日期 2020 08 09 基金項目 國家自然科學基金 項目 51865023 云南省科技創(chuàng)新重大專 項 2016ZF001 作者簡介 張兆國 1966 男 教授 博士 博士生導師 研究方向為農業(yè)機械裝備設計制造 E mail zhaoguozhang 東 北 農 業(yè) 大 學 學 報 第51 卷 三 七 是 五 加 科 多 年 生 人 參 類 草 本 植 物 為 我 國 特 有 名 貴 中 藥 材 之 一 1 三 七 主 要 產 自 云 南 四 川 廣 西 等 省 份 云 南 文 山 地 區(qū) 年 產 量 最 大 2 關 于 三 七 收 獲 機 挖 掘 鏟 國 外 研 究 很 少 武 占 東 運 用 TRIZ 理 論 分 析 三 七 收 獲 機 系 統(tǒng) 關 鍵 部 件 3 于 進 川 為 適 應 云 南 文 山 地 區(qū) 紅 土 丘 陵 區(qū) 黏 性 土 收 獲 農 藝 要 求 研 制4SD 120 型 三 七 收 獲 機 4 張 兆 國 根 據 三 七 收 獲 時 特 殊 農 藝 要 求 設 計 采 用 二 階 凹 面 挖 掘鏟自走式三七收獲機 5 目 前 收 獲 機 可 滿 足 三 七 收 獲 條 件 和 收 獲 要 求 但 三 七 挖 掘 鏟 挖 掘 阻 力 較 大 機 具 功 耗 過 高 6 7 需 降 低 三 七 挖 掘 鏟 挖 掘 阻 力 和 機 具 功 耗 本 文 基 于 三 七 土 壤 物 理 特 性 對 兩 種 挖 掘 鏟 作 虛 擬 仿 真 試 驗 分 析 兩 種 挖 掘 鏟 阻 力 通 過Design Expert 軟 件 設 計 試 驗 完 成 挖 掘 鏟 土 槽 試 驗 分 析 挖 掘 深 度 作 業(yè) 速 度 入 土 角 對 挖 掘 阻 力 影 響 及 壅土情況 確定最優(yōu) 挖掘參數 7 1 三七土壤物理特性 土 壤 環(huán) 境 包 括 土 壤 含 水 率 堅 實 度 等 樣 本 選 用 文 山 州 三 七 種 植 基 地 土 壤 在 不 同 深 度 和 位 置 選 取10 個 土 壤 樣 本 取 其 平 均 值 采 用 農 業(yè) 環(huán) 境 檢 測 儀 測 定 含 水 率 采 用 土 壤 堅 實 度 測 定 儀 測 定 堅 實 度 結 果 見 表1 通 過 力 學 參 數 測 定 土 壤 物 理 特 性 本 試 驗 采 用4 份 三 七 溫 室 大 棚 土 壤 試 樣 運用應變控制式直剪儀測量抗剪 強度 見 圖1 分 別 在 試 樣 上 添 加 不 同 砝 碼 施 加 法 向 力F 固 定 剪 切 面 面 積S 此 時 豎 直 應 力N F S 繼 續(xù) 施 加 剪 切 力 樣 本 被 剪 斷 此 時 剪 切 力 為I0 抗 剪 強 度 I0 S 最 后 根 據 庫 侖 定 律 確 定 力 學 參 數 8 9 數 據見表2 a Ntan 1 式 中 為 抗 剪 強 度 kPa a 為 內 聚 力 kPa N 為 豎 直 應 力 kPa 為 內 摩 擦 角 tan 為摩擦系數 結 合 式1 可 得 到 抗 剪 強 度 與 豎 直 應 力 關 系 0 277N 15 505 以 豎 直 應 力 作 為 橫 坐 標 抗 剪 強 度 作 為 縱 坐 標 繪 制 曲 線 見 圖2 可 得 到 土 壤 基 本 力 學 參 數 其 中 摩 擦 系 數0 277 內 聚 力 15 505kPa the design was designed using D esign Expert software to complete the soil trench excavation test The soil trench test results shown that the combined shovel received less resistance and the factors affecting the resistance were from large to small digging depth working speed and soil entry angle The optimal digging parameters were working speed was 0 6 m s 1 digging depth was 30 cm the entry angle was 20 The combined excavating shovel met the agronomic requirements of the greenhouse P a n a x n o t o g i n se n g harvesting operation which laid the foundation for the design of the greenhouse P a n a x n o t o g i n se n g harvesting machine shovel Key words e x c a v a t o r P a n a x n o t o g i n s e n g s o i l t r o u g h e x p e r i m e n t d i s c r e t e e l e m e n t s i m u l a t i o n 豎直應力 kPa Verticalstress 平行位移最大值 mm Maximumparallel 抗剪強度 kPa Shearstrength 100 0 23 43 48 200 0 39 70 56 300 0 51 98 25 400 0 67 126 43 深度 mm Depth 平均土壤含水率 Averagesoilmoisture 平均土壤堅實度 MPa Averagesoilfirmness 50 16 3 0 35 100 17 4 0 49 150 20 1 0 57 200 24 4 0 77 表1 三七塊根土壤基本參數 Table1 Basicparametersof Panax notoginsengrootsoil 圖1 應變控制式直剪儀 Fig 1 DirectshearapparatusofZJ typestraincontrolled 表2 土壤抗剪強度 Table2 Soilshearstrength 80張兆國等 溫室三七收獲機挖掘鏟鏟型對比研究 第9 期 2 挖掘鏟模型建立與阻力理論分析 2 1 挖掘鏟模型 建立 二 階 凹 面 挖 掘 鏟 每 個 鏟 面 排 列 布 置 過 于 緊 密 易 造 成 壅 土 增 加 挖 掘 鏟 阻 力 變 大 收 獲 機 動 力 增 加 10 11 鏟 面 設 計 寬 度 保 證 將 三 七 挖 出 土 面 總 體 鏟 長 取1200mm 單 鏟 寬 度 取60mm 單 鏟長度取400mm 仿真模型見圖3 組 合 式 挖 掘 鏟 主 要 由 土 壤 破 碎 鏟 及 二 階 凹 面 鏟 共 同 組 成 兩 種 鏟 型 交 錯 排 列 于 鏟 架 結 構 見 圖4 其 中 破 碎 鏟 將 大 塊 土 壤 破 碎 土 壤 質 地 更 松 軟 12 破 碎 鏟 鏟 翼 寬 為58mm 翼 張 角 為48 翻土角為50 7 2 2 挖掘鏟牽引阻力理論分析 2 2 1 二階凹面挖掘鏟牽引阻力理論分析 二 階 凹 面 挖 掘 鏟 由 兩 個 不 同 角 度 挖 掘 鏟 組 成 因 此 選 擇 虛 擬 面 作 二 階 凹 面 鏟 阻 力 理 論 分 析 如 圖5 由 幾 何 關 系 可 得 到 虛 擬 面 傾 角 與 一 階 傾 角 1 二 階 傾 角 2 一 階 鏟 長 對 應 鏟 高h 和整體鏟高H 關 系 13 arctan H cot 1 h cot 2 H h 2 二 階 凹 面 挖 掘 鏟 受 力 分 析 如 圖6 所 示 二 階 凹 面挖掘鏟所受牽引阻 力F 為 F Nsin f 1 cos f 2 lcos 3 其 中 N 是 鏟 面 所 受 土 壤 法 向 壓 力 N f1 是 土壤法向壓力產生阻 力 N f2 是純切 削阻力 N 將f 1 N 帶 入 上 式 可 得 二 階 凹 面 挖 掘 鏟 所 受 牽 引 阻 力F 與 法 向 壓 力N 一 階 傾 角 1 二 階 傾角 2 一階鏟長對應鏟高h 和鏟高H 關系 圖2 豎直應力與抗剪強度關系 Fig 2 Relationshipbetweenvertical stressandshearstrength b 二階挖掘裝置俯視圖 b Topviewofthemodularexcavation 圖3 二階凹面挖掘裝置模型 Fig 3 Modelofcombineddiggingdevice b 組合 式挖掘裝置俯視圖 b Topviewofthemodularexcavation 圖4 組合式挖掘裝置模型 Fig 4 Modelofcombineddiggingdevice a 二階挖掘裝置側視圖 a Sideviewofmodularexcavation y 0 2768x 15 505 a 組合式挖掘裝置側視圖 a Sideviewofmodularexcavation F Nsin f 1 cos f 2 lcos N sinarctan H cot 1 h cot 2 H h cosarctan H cot 1 h cot 2 H h f 2 lcosarctan H cot 1 h cot 2 H h 豎直應力 Verticalstress 4 100 150 200 250 300 350 400 抗剪強度 kPa Shearstrength 140 120 100 80 60 40 81東 北 農 業(yè) 大 學 學 報 第51 卷 2 2 2 組合式挖掘鏟牽引阻力理論分析 組 合 式 挖 掘 鏟 所 受 牽 引 阻 力 主 要 由 鏟 面 土 壤 破碎產生阻力和純切削阻力組成 8 計 算 鏟 面 土 壤 破 碎 產 生 阻 力F 1 建 立 兩 個 坐 標 系 如 圖7 所 示 側 挖 掘 面 為 坐 標 系oxyz 坐 標 系OXYZ 是 靜 坐 標 系 坐 標 系oxyz 轉 換 到 坐 標 系 OXYZ 轉換矩陣為A 如圖8 所示 其 中 1 是 翻 土 角 2 是 鏟 刃 到 垂 直 面 傾角 是溝壁傾 角 鏟 面 土 壤 破 碎 產 生 阻 力F 1 與 土 壤 所 受 法 向 力 N 1 摩 擦 力 f 1 有 關 在 坐 標 系oxyz 中 法 向 力 N 1 摩擦力f 1 表達式如下 式中 是鏟側面與鏟刃垂直線夾角 單位 在 坐 標 系OXYZ 中 法 向 力N 1 摩 擦 力 f 1 表達式如下 由上可得 N x N 0 sin 1 cos 2 10 f x f 1 sin sin 2 cos cos 1 cos 2 11 將f 1 N 帶 入 上 式 此 時 鏟 面 土 壤 破 碎 產 生 阻力F 1 表達式如下 其中 是土壤對鏟摩擦系數 求 純 切 削 阻 力F 2 破 碎 鏟 鏟 面 傾 角 與 入 土角 3 鏟胸升角 0 關系如圖9 所示 A sin 1 cos 2 sin 2 cos 1 cos 2 cos 1 sin sin 1 sin 2 cos cos 2 cos sin 1 sin cos 1 sin 2 cos cos 1 cos sin 1 sin 2 sin sin cos 2 sin 2 cos cos 1 sin 2 sin 圖6 二階凹面挖掘鏟受力分析 Fig 6 Stressanalysis 圖5 二階凹面挖掘鏟虛擬鏟面 Fig 5 Virtualshovelsurface N 1 AN 1 N 1 sin 1 cos 2 N 1 sin cos 1 sin 1 sin 2 cos N 1 cos 1 cos sin 1 sin 2 sin 圖8 側挖掘面 Fig 8 Sideexcavationsurface 圖7 坐標系 Fig 7 Coordinate f 1 0 f 1 sin f 1 cos N 1 N 1 0 0 F 1 N x F x N 1 sin 1 cos 2 sin sin 2 cos cos 1 cos 2 0 3 2 F 2 f 2 lcos f 2 lcos 0 3 2 圖9 碎鏟虛擬面 Fig 9 Virtualfaceofcrushingshovel 5 7 6 f 1 0 f 1 sin f 1 cos 8 13 14 12 f 1 Af 1 f 1 sin cos 2 cos cos 1 cos 2 f 1 sin cos 2 cos cos sin 1 sin cos cos 1 sin 2 cos f 1 sin cos 2 sin cos sin 1 cos cos cos 1 sin 2 sin 9 82張兆國等 溫室三七收獲機挖掘鏟鏟型對比研究 第9 期 綜上所述土壤破碎鏟總牽引阻力F 由下所示 3 挖掘鏟離散元仿真分析 采 用EDEM 軟 件 對 挖 掘 鏟 作 離 散 元 仿 真 分 析 選 擇 顯 式 時 間 步 驟 離 散 單 元 法 模 擬 求 解 過 程 其 中 牛 頓 第 二 定 律 是 理 論 基 礎 分 析 粒 子 間 接 觸 特 性 受 力 方 向 和 粒 子 運 動 軌 跡 本 文 研 究 土 壤 挖 掘 鏟 系 統(tǒng) 由 于 三 七 種 植 土 壤 類 型 屬 于 疏 松 型 采 用Hertz Mindlin 接 觸 模 型 挖 掘 鏟 材 料 為65 Mn 14 仿 真 采 用1m 0 5m 0 5m 土 槽 挖 掘 鏟 前 進 速 度 為0 7m s 1 15 由 于 三 七 生 長 在 土 下150 300mm 為 保 證 三 七 完 全 挖 出 選 擇 挖 掘 深 度 為 300mm 入土角20 仿真參數見表3 3 1 二階凹面挖掘鏟 對 二 階 凹 面 挖 掘 鏟 建 立 三 維 模 型 并 將 建 模 后 挖 掘 鏟 導 入 土 壤 力 學 模 型 中 分 析 二 階 凹 面 挖 掘 鏟 工 作 時 阻 力 仿 真 過 程 見 圖10 土 壤 顆 粒 流 向見圖11 參數 Parameter 土壤數目 個 Soilparticlenumber 土壤半徑 m Soilradius 土壤泊松比 SoilPoisson sratio 土壤剪切模量 Pa Soilshearmodulus 土壤密度 kg m 3 Soildensity 土壤間相關系數 Soilcorrelationcoefficient 土壤間靜摩擦系數 Soilstaticfrictioncoefficient 土壤間滾動摩擦系數 Coefficientofsoilrollingfriction 數值 Value 8 10 5 1 10 6 1 10 5 0 4 1 09 10 6 1350 0 2 0 3 0 4 參數 Parameter 土壤與挖掘鏟相關系數 Correlationcoefficient 土壤與挖掘鏟靜摩擦系數 Staticfrictioncoefficient 土壤與挖掘鏟滾動動摩擦系數 Rollingfrictioncoefficient 挖掘鏟泊松比 ExcavatingshovelPoisson sratio 挖掘鏟剪切模量 Pa Excavatingshearmodulus 挖掘鏟密度 kg m 3 Diggingshoveldensity 重力加速度 m s 2 Accelerationofgravity 仿真時步 s Simulationtimestep 數值 Value 0 3 0 4 0 5 0 3 1 92 10 6 7800 9 81 1 10 5 表3 離散元法仿真分析參數 Table3 Discreteelementmethodforsimulationanalysis 圖10 二階凹面挖掘鏟仿真過程 Fig 10 Second orderconcavediggingshovelsimulationprocess 圖11 二階凹面挖掘鏟土壤顆粒流向 Fig 11 Second orderconcavediggingshovelflowofsoilparticles a 接觸瞬間 a ContactMoment b 插入后 b Afterinsertion c 向前行走 c Towalkforward 2N 1 sin 1 cos 2 sin sin 2 cos cos 1 cos 2 f 2 lcos 0 3 2 F 2F 1 F 2 15 83東 北 農 業(yè) 大 學 學 報 第51 卷 通 過 離 散 元 接 觸 力 學 模 型 與 相 關 參 數 選 取 二 階 凹 面 挖 掘 鏟 所 受 接 觸 合 力 變 化 區(qū) 間 為 0 611 49N 由 圖11 可 知 二 階 挖 掘 裝 置 壅 土 現 象 減 輕 由 于 挖 掘 鏟 存 在 兩 個 平 面 對 不 同 平 面 三 七 均 有 挖 掘 效 果 明 七 率 提 高 對 三 七 沖 擊 力 比 傳 統(tǒng) 挖 掘 鏟 小 但 無 法 保 證 可 收 獲 到 未 生 長 在 標 準 位置三七 3 2 組合式挖掘鏟 對 組 合 式 挖 掘 鏟 三 維 建 模 并 將 建 模 后 三 維 圖 導 入 土 壤 力 學 模 型 分 析 組 合 式 挖 掘 裝 置 工 作 時 阻力 仿真過程見圖12 土壤顆粒流向見圖13 通 過 離 散 元 接 觸 力 學 模 型 與 圍 觀 參 數 選 取 組 合 式 挖 掘 鏟 所 受 接 觸 合 力 變 化 區(qū) 間 為 0 419 48N 由 圖13 可 知 組 合 使 挖 掘 鏟 入 土 深 度 合 適 挖 掘 范 圍 較 前 面 挖 掘 鏟 更 大 壅 土 情 況 減 輕 由 于 土 壤 破 碎 鏟 作 用 大 塊 土 壤 較 少 當 挖 掘 鏟 向 前 作 業(yè) 時 土 壤 破 碎 鏟 可 有 效 收 獲 未 生 長 在 標 準 位 置 三 七 收 獲 機 在 前 進 作 業(yè) 時 受 到 來 自 土 壤 阻 力 明 顯減小 3 3 兩種挖掘鏟仿真阻力比較 二 階 凹 面 挖 掘 鏟 與 組 合 式 挖 掘 鏟 所 受 阻 力 對 比見圖14 圖12 組合式挖掘鏟仿真過程 Fig 12 Combinedexcavatingshovelsimulationprocess 圖13 組合式挖掘鏟土壤顆粒流向 Fig 13 Combinedexcavatingshovelflowchartofsoilparticles 圖14 挖掘鏟仿真阻力對比 Fig 14 Comparisondiagramofshovelresistance a 接觸瞬間 a ContactMoment b 插入后 b Afterinsertion c 向前行走 c Towalkforward 二階凹面挖掘鏟 組合式挖掘鏟 時間 s Time 700 600 500 400 300 200 100 0 阻力 N 0 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 1 2 1 4 1 6 84張兆國等 溫室三七收獲機挖掘鏟鏟型對比研究 第9 期 由 圖14 可 知 0 2s 前 兩 種 挖 掘 鏟 所 受 阻 力 一 致 因 入 土 深 度 對 阻 力 影 響 較 大 而 此 時 入 土 深 度 處 于 較 小 范 圍 內 0 65s 前 二 階 凹 面 挖 掘 鏟 所 受 阻 力 處 于 上 升 階 段 0 5s 前 組 合 式 挖 掘 鏟 所 受 阻 力 處 于 上 升 階 段 可 見 組 合 式 挖 掘 鏟 所 受 阻 力 上 升 速 度 較 快 0 75s 后 二 階 凹 面 挖 掘 鏟 在608 N 浮 動 最 大 值 為611 49N 0 6s 后 組 合 式 挖 掘 鏟 在410N 浮 動 最 大 值 為419 48N 可 見 組 合 式 挖 掘鏟所受阻力比二階凹面挖 掘鏟小 4 試驗與分析 4 1 試驗 準備 試 驗 地 點 為 貴 州 省 山 地 農 業(yè) 機 械 所 中 小 型 農 機 農 具 實 驗 室 通 過 土 槽 試 驗 測 量 兩 種 挖 掘 鏟 阻 力 分 析 兩 組 挖 掘 鏟 土 壤 破 碎 能 力 該 土 槽 試 驗 臺 具 有 自 動 控 制 數 據 處 理 土 壤 恢 復 等 功 能 土 槽 尺 寸 為3600cm 250cm 100cm 其 中 土 壤 深 度 約60cm 臺 車 尺 寸 為290cm 300cm 210cm 不包含土槽高度 如圖15 所示 4 2 試驗方案 試 驗 前 測 定 土 壤 堅 實 度 和 水 分 含 量 土 槽 中 土 壤 相 關 參 數 與 所 測 量 參 數 一 致 每 次 試 驗 后 旋 耕 及 壓 實 土 槽 保 證 初 始 條 件 一 致 性 影 響 試 驗 因 素 選 取 作 業(yè) 速 度 挖 掘 深 度 與 入 土 角 試 驗 指 標 選 擇 阻 力 及 挖 掘 裝 置 破 土 效 果 挖 掘 鏟 作 業(yè) 速 度 可 通 過 控 制 臺 車 運 行 速 度 調 節(jié) 入 土 深 度 通 過 測 量 挖 掘 鏟 入 土 長 度 確 定 入 土 角 由 掛 接 件 調 節(jié) 7 作 業(yè) 速 度x1 分 別 確 定 為0 6 0 7 和0 8m s 1 挖 掘 鏟 挖 掘 深 度x2 分 別 為22 27 和32cm 鏟 面 入 土 角x3 分 別 為20 25 和30 通 過 改 變 以 上 三 個 因 素 利 用Design Expert 軟 件 設 計 三 因 素 三 水 平 正交組合試驗 因素水平編碼見表4 4 3 試驗結果 對 二 階 凹 面 挖 掘 鏟 和 組 合 式 挖 掘 鏟 作 土 槽 試 驗 結果見表5 4 4 試驗結果分析 4 4 1 二階凹面挖掘鏟試驗結果分析 對 試 驗 中 二 階 凹 面 挖 掘 鏟 所 受 阻 力 結 果 作 方 差 分 析 見 表6 結 果 表 明 因 子x1 x2 x3 x1 2 x2 2 x3 2 對y 影 響 顯 著 其 他 因 子 影 響 不 顯 著 各 因 素 對 阻 力 影 響 順 序 依 次 為x1 x2 x3 去 除 不 顯 著 項 后得到二階凹面挖掘鏟所受阻力y 回歸方程為 y 1379 54 2308 4x1 18 65x2 11 76x3 9 58x1x2 4 54x1x3 0 064x2x3 1373 44x1 2 0 25x2 2 0 22x3 2 式 中 y 為 阻 力 N x1 為 作 業(yè) 速 度 m s 1 x2 為入土深 度 cm x 3 為入土角 序號 No 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 試驗因素 Testfactors 作業(yè)速度 Speed 0 0 1 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 1 0 挖掘深度 Depth 1 1 1 0 1 1 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 入土角 Angle 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 0 試驗結果 Testresults 二階凹面挖掘 鏟阻力 N Resistance 2513 4 2526 1 2499 5 2569 0 2515 6 2432 6 2525 3 2489 2 2522 1 2566 0 2570 0 2570 0 2498 9 2584 0 2509 8 2465 2 2575 0 組合式挖掘 鏟阻力 N Resistance 2218 3 2212 0 2258 5 2279 1 2263 5 2104 2 2205 0 2168 3 2231 7 2261 6 2279 1 2279 1 2167 8 2279 1 2240 9 2117 1 2279 1 水平 Level 1 0 1 作業(yè)速度x1 m s 1 Speed 0 6 0 7 0 8 挖掘深度x2 cm Depth 22 27 32 入土角x3 Angle 20 25 30 圖15 土槽試驗臺 Fig 15 Soiltroughtestplatform 表4 因素水平編碼 Table4 Factorlevelcoding 表5 試驗結果 Table5 Testresults 85東 北 農 業(yè) 大 學 學 報 第51 卷 由 圖16 可 知 為 確 保 三 七 完 整 挖 出 選 擇 挖 掘 深 度 為30cm 當 挖 掘 速 度 為0 6m s 1 入 土 角 為20 時 挖掘鏟所受阻力最小為2480N 二 階 凹 面 挖 掘 鏟 土 槽 試 驗 結 果 見 圖17 可 見 挖 掘 鏟 壅 土 情 況 不 嚴 重 但 土 壤 破 碎 能 力 差 鏟面有大塊土壤 表6 二階凹面挖掘鏟所受阻力方差分析 Table6 Varianceanalysisofresistanceonthesecond orderconcavediggingshovel 注 表示極顯 著 P 0 01 表示 顯著 P 0 05 下表同 Note indicuteextremelysignificant P 0 01 indicutesignificant P 0 05 Thesameasbelow 圖16 二階凹面挖掘鏟響應面分析 Fig 16 Responsesurfaceanalysisofsecond orderconcavediggingshovel 作業(yè)速度Workingspeed 方差 Variance 模型Model x 1 x 2 x 3 x 1 x 2 x 1 x 3 x 2 x 3 x 2 1 x 2 2 x 2 3 殘差Residual 失擬項Lackoffit 誤差Error 總和Sum 平方和 Sumofsquares 52949 06 11250 00 11696 85 2734 30 4 41 441 00 0 20 15596 82 5287 65 3477 24 2180 28 2180 28 0 00 55129 34 自由度 Freedom 9 1 1 1 1 1 1 1 1 1 7 3 4 16 均方 Meansquare 5883 23 11250 00 11696 85 2734 30 4 41 441 00 0 20 15596 82 5287 65 3477 24 311 47 726 76 0 00 F 值 Fvalue 18 89 36 12 37 55 8 78 0 014 1 42 6 501 10 4 50 08 16 98 11 16 7 57 P 值 Pvalue 0 0004 0 0005 0 0005 0 0210 0 9086 0 2729 0 9804 0 0002 0 0045 0 0124 0 1148 顯著性 Saliency b 試驗后 b Afterthetest 圖17 土槽試驗結果 Fig 17 Soiltanktestresults a 試驗前 a Beforethetest 阻力Resistance 30 00 25 00 20 00 15 00 10 00 入土角 Penetrationangle 0 50 0 60 0 70 0 80 0 90 0 50 0 60 0 90 0 80 0 70 10 00 15 00 20 00 25 00 30 00 2580 2560 2540 2520 2500 2480 2460 阻力Resistance 入土角 Penetrationangle 作業(yè)速度 Workingspeed 86張兆國等 溫室三七收獲機挖掘鏟鏟型對比研究 第9 期 表7 組合式挖掘鏟所受阻力方差分析 Table7 Varianceanalysisofresistanceoncombinedexcavatingshovel 圖18 組合式挖掘鏟響應面分析 Fig 18 Responsesurfaceanalysisofcombinedexcavatingshovel 方差 Variance 模型Model x 1 x 2 x 3 x 1 x 2 x 1 x 3 x 2 x 3 x 2 1 x 2 2 x 2 3 殘差Residual 失擬項Lackoffit 誤差Error 總和Sum 平方和 Sumofsquares 27677 60 2268 01 3329 28 1046 53 1466 89 329 42 161 29 12707 91 2719 14 2054 14 1158 33 1001 13 157 20 28835 93 自由度 Freedom 9 1 1 1 1 1 1 1 1 1 7 3 4 16 均方 Meansquare 3075 29 2268 01 3329 28 1046 52 1466 89 329 42 161 29 12707 91 2719 14 2054 14 165 48 333 71 39 30 F 值 Fvalue 18 58 13 71 20 12 6 32 8 86 1 99 0 97 76 80 16 43 12 41 8 49 P 值 Pvalue 0 0004 0 0076 0 0028 0 0401 0 0206 0 2011 0 3564 x1 x3 去 除 不 顯 著 項 后 得 到 組 合式挖掘鏟所受阻力y 回歸方程為 y 928 32 2411 14x1 19 09x2 17 07x3 0 53x1x2 5 25x1x3 0 00225x2x